Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
- -
1
Đồ án tốt nghiệp
CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMC Adaptive Modulation and Code
ARQ Automatic Retransmission Request
ATM Network Asynchronous Transfer Mode
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
CI CRC Indicator
CID Connection Identifier
CPE Customer Premise Equipment
CPS Common Part Sublayer
CRC Cyclic Redundancy Checks
CS Centralized Scheduling
CSMA Carrier Sense Multiple Access
DES Data Encryption Standard
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DL-MAP Downlink Map
DL-MAP Downlink Map
DSL Digital Subscriber Line
EC Encryption Control
EKS Encryption Key Sequence
FDD Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transformation
GMH Generic Mac Header
HCS Header Check Sequence
TDD Time Division Duplexing
TDMA Time Division Multiple Access
UGS Unsolicited Grant Service
UL-MAP Uplink Map
VoIP Voice over IP
Wi-Fi Wireless Fidelity
WiLANs Wireless Local Area Networks
WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access
WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks
WISPs Wireless Internet Providers
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
- -
3
Đồ án tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
***
Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đối
với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây,
internet không dây... để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và
quan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên
đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được. Hiện nay đã có rất nhiều
hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth... và một trong số đó có thể
đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax. WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet
không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong
một khoảng cách truyền lớn.
Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào
Cai,Cao Bằng. Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư
đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn
quốc.
Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do những ảnh
ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồ điều chế
của kỹ thuật này.
1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM[1]
Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng
lấn nhau trên cùng một
độ rộng băng tần cấp phát
của hệ thống. Việc xếp chồng
lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần
được cấp phát dẫn
đến không những
đạt
được hiệu quả sử dụng phổ tần cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi
truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi
được kết hợp với các kỹ thuật mã
hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện
đáng kể. So với hệ
thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống thì,
ở FDM cũng
truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không
được phép
chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu
đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín
hiệu số và tần dụng tối
đa
ưu việt của VLSI.
Theo
đó trước hết ta
định nghĩa tính
trực giao, sau
đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM
hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM
- -
9
Đồ án tốt nghiệp
cũng như các
điều kiện cần thiết
để
đảm bảo tính trực giao.
1.3. Đa sóng mang (Multicarrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng
2
t)
cos(2Π f
N
t)
S
/
P
cos(2Π f
1
t)
b
i
S(t)
Hình 1.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM
Hình 1.1. Sự trực giao của các sóng mang
10
Đồ án tốt nghiệp
Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARD
PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang
cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các
sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp
các sóng mang trực giao với nhau. Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực
giao (OFDM).
Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương
pháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng.
1.4. Sự trực giao (Orthogonal)
ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các
tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm
Hình 1.5.Tích phân của hai sóng sin khác tần số
12
Đồ án tốt nghiệp
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital
domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng
mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích
phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được
nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó
đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng
mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.
1.4.1. Mô tả toán học của OFDM
Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:
S
c
(t) = A
c
(t)e
j[ωct + Фc(t)]
(1.2)
Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t). Cả Ac(t) và Фc(t) (biên độ và pha tương
ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol bởi symbol cơ bản.
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
phức Sc(t) được thể hiện bởi công thức :
S
s
(t) =
∑
−
=
1
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
A
n
e
j[(ω0 + nΔω)kT + Фn]
(1.4)
Ở đây, chúng ta chia tín hiệu thành N mẫu. Nó thuận lợi để lấy mẫu trong một
chu kỳ của một symbol dữ liệu. Vì thế có mối liên hệ : τ=NT
Nếu bây giờ đơn giản biểu thức trên mà không làm mất tính tổng quát bằng
cách cho ω
o
= 0, thì tín hiệu trở thành :
S
s
(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
e
jФ
giống như định nghĩa của tín hiệu trong
khoảng tần số lấy mẫu và S
s
(kT) là một biểu diễn trong miền thời gian.
Biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương nếu :
Δf=
NT
1
=
τ
1
Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo
toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách biến đổi
Fourier.
- -
14
Đồ án tốt nghiệp
1.4.2. Trực giao miền tần số
Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số
sinc(sin(x)/x). Kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng
cách sóng mang. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm
dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số
trung tâm và một số giá trị null được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách
sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ
tương ứng với Nulls của các tải phụ khác. Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử
dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
2
(M) với M là số các điểm
trong chòm sao. Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm
sao. Vectơ phức hợp thành I +јQ tương ứng với biên độ
22
QI
+
và pha argument (I+
- -
16
Đồ án tốt nghiệp
јQ) với ј=
1
−
. Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dải thông truyền,
do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu
quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông). Tuy nhiên số điểm trong giản đồ chòm sao càng
lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu. Đó là vì khi
đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhỏ nhiễu là có thể
gây ra lỗi truyền.
* Mã GRAY
Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ
dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất. Mã
Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong
vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit . Mã Gray có
thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK(BPSK,QPSK,...) và
QAM(16QAM, 64QAM, 256QAM...).
Bảng 1.1. Mã Gray
- -
Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ trạng thái đúng của symbol. Điều
này loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự
mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến.
- -
19
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.11. Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
1.10. Độ dịch Doppler
Do khoảng cách giữa nơi phát và thu có sự thay đổi nên tạo ra độ dịch
Doppler (vì khoảng cách giữa nơi phát và thu thay đổi theo thời gian). Độ dịch
Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu. Khi giảm khoảng cách giữa nơi phát
và thu làm tăng tần số, và khi tăng khoảng cách sẽ làm giảm tần số.
Với hệ thống OFDM, độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi vị trí sóng mang, có
nghĩa là sóng mang sẽ dịch chuyển xuống tần số thấp hơn khi khoảng cách giữa nơi
phát và thu tăng và ngược lại.
Hình vẽ dưới đây chỉ rõ tín hiệu không có fading(1) và tín hiệu chịu ảnh
hưởng của fadinh(2).
Độ dịch tần Δf cho xe cộ di chuyển với vận tốc v và ở tần số f
o
được tính như
sau:Δf ≈ v x fo/c
Với c là vận tốc ánh sáng (3x 10
8
m/s)
(Công thức cho rằng v<<c, là đúng cho môi trường thu - phát)
Hình 1.12. Hiệu ứng của độ lệch Doppler
- -
20
Đồ án tốt nghiệp
1.11. OFDMA
hệ trước.
2.2. Khái niệm về WiMax[2]
WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide
Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn
IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản
lý đầu cuối.
WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng
Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem. Trong Wimax, người
sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS) nếu thiết
lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu
rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm
chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight) với tốc độ truyền
dữ liệu gần bằng 280Mbps.
Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng là
mạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như là
một văn phòng hay một gia đình. Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc độ
11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps.
Bảng 2.1. So sánh giữa WiLANs và WiMAX
Technology Primary use Data rates
WiMAX 802.16 External 75 – 250 Mbps
WiLAN 802.11g Internal Up to 54Mbps
- -
23
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
WiLAN 802.11b Internal Up to 11Mbps
Bảng trên cho ta thấy WiMax có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn so với
WiLANs. Chính điều này đã làm cho WiMax trở nên ưu điểm hơn so với mạng
không dây khác.
2.3. Khái niệm về IEEE 802.16[8]
Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi,
FDD đều được sử dụng. Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau có
thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mang riêng
biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó. Số lượng sóng mang có thể tăng lên một cách
đáng kể. Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6 GHz với
mục đích ứng dụng trong di động . Lịch sử phát triển của các loại chuẩn IEEE 802.16
được cho trong hình sau. (Hình 2.2)
- -
Hình 2.2. Từ 802.11b tới 802.16e
25
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
2.4. Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM
802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệ
thống khác như 802.11a. Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với
802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi được
băng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiều
người sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời gian
trong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết.
Bảng 2.2. Các tiêu chuẩn của 802.16
2.4.1. Bảng thông số kỹ thuật
Những đặc tính cơ bản của hệ thống 802.16-2004 được liệt kê bảng 2.3
- -
26
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
2.4.2. Các băng tần số
Băng thông kênh và hệ số lấy mẫu phụ thuộc vào băng tần số. Tất cả các băng
tần số và các thông số vật lý tương ứng được liệt kê bảng 2.4
Bảng 2.3. Các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16
Bảng 2.4. Các băng tần số
Copyright: Tài liệu đại học ©